TỐI ƯU ĐỘ TIN CẬY TRUYỀN DỮ LIỆU CHO HỆ THỐNG NUÔI TÔM DỰA VÀO NỀN TẢNG KẾT NỐI VẠN VẬT

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 3(124).2018

59

TỐI ƯU ĐỘ TIN CẬY TRUYỀN DỮ LIỆU CHO HỆ THỐNG NUÔI TÔM
DỰA VÀO NỀN TẢNG KẾT NỐI VẠN VẬT
A NEW SCHEME FOR INTERNET OF THINGS BASED SHRIMP FARMING SYSTEMS
TO IMPROVE RELIABLE DATA FORWARDING
Nguyễn Xuân Sâm, Nguyễn Hồng Sơn
Học viện Cơng nghệ Bưu chính Viễn thơng;
Tóm tắt - Ứng dụng kết nối vạn vật trở nên cấp thiết và là xu hướng
phát triển tất yếu cho nông - ngư nghiệp trong cuộc cách mạng cơng
nghiệp lần thứ tư. Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đề xuất một
giao thức lai bằng việc cho phép các nút trung gian tham gia vào quá
trình chuyển tiếp các gói mang thơng tin để giám sát và cảnh báo cho
người quản lý của một đầm nuôi tôm, dựa trên chuẩn EEE 802.11 sử
dụng các thiết bị cảm biến có sẵn trên thị trường hiện nay. Việc đề xuất
này đảm bảo rằng gói thơng tin được truyền từ một nguồn bất kỳ có tối
đa cơ hội đến điểm đích trong các điều kiện môi trường truyền thay đổi
khác nhau. Nghiên cứu của nhóm tác giả đánh giá hai thơng số là hiệu
suất truyền gói tin và độ trễ truyền gói tin trung bình từ một điểm nguồn
đến điểm đích. Thực thi mô phỏng cho thấy hệ thống đề xuất cho kết
quả tốt hơn hệ thống không sử dụng mô hình chuyển tiếp.

Abstract - The Fourth Industrial Revolution is offering great
opportunities to smart agriculture solutions and internet of things
which is now common trends. In this paper, we propose a new
scheme to improve reliable data forwarding internet of things based
shrimp farming systems by combining relay communications and
automatic repeat request mechanism of IEEE 802.11. By this way,
there would be a better chance for forwarding packets from a

source node to the destination node in fading and shadowing
environment. Our experimental results show that the proposed
scheme provides a better performance than non-assisted relay
communications of IEEE 802.11 in terms of the packet delivery
ratio and average end-to-end delay.

Từ khóa - hệ thống ni tơm (HTNT); kết nối vạn vật (KNVV); độ
tin cậy (ĐTC); hiệu suất truyền gói tin (HSTGT); thời gian trung
bình truyền gói tin (TGTBTGT).

Key words - shrimp farming systems (SFS); Internet of Things
(IoT); reliable communications (RC); packet deliverry ratio (PDR);
end-to-end delay (E2ED).

1. Mở đầu
Hiện nay, nhu cầu ứng dụng kết nối vạn vật (KNVV)
trong nông - ngư nghiệp đang là một xu hướng tất yếu. Việc
này có ý nghĩa đặc biệt khi xuất khẩu thủy sản trở thành
ngành kinh tế dẫn đầu cho xuất khẩu và phát triển kinh tế
ở nước ta. Tuy nhiên, một trong những thách thức đối với
ngành này là dịch bệnh, mà nguyên nhân chủ yếu đến từ
việc thay đổi nhiệt độ, độ mặn và độ pH của nước trong
đầm do các nguyên nhân tự nhiên và nhân tạo gây ra.
Việc ứng dụng KNVV để tự động hóa các q trình phát
hiện, cảnh báo và điều chỉnh thiết bị cho hệ thống nuôi thủy
sản như là bơm thức ăn, thiết bị đóng và mở dịng nước,
v.v…, khơng những góp phần tăng năng suất mà còn hạn
chế được việc thay đổi các chỉ số bất thường ảnh hưởng
đến sinh trưởng của các lồi thủy sản. Vì vậy, nhóm tác giả
dành sự quan tâm đặc biệt cho phát triển các nghiên cứu

ứng dụng KNVV nhằm thu thập thông tin, đưa ra cảnh báo
thay đổi nhiệt độ của nước và ngưỡng pH trong đầm tôm,
nhằm giảm thiểu các rủi ro cho đầm tôm.
Trong bài báo này, biểu diễn mơ hình của một đầm ni
tơm được nhóm tác giả minh họa trong Hình 1. Mơ hình
này được cắt thành ba lớp, lớp thứ nhất bao gồm các thiết
bị cảm biến khơng dây có tích hợp đầu đo pH và nhiệt độ.
Lớp thứ hai bao gồm các điểm truy cập đóng vai trị là các
cổng vào ra kết nối với Internet để chuyển tiếp dữ liệu thu
thập từ các thiết bị cảm biến đến trung tâm thu thập dữ liệu
và thiết bị theo dõi đầu cuối. Lớp thứ ba gồm trung tâm
quản lý dữ liệu bao gồm người quản lý đầm tôm, trung tâm
tư vấn và phân tích, trung tâm hỗ trợ các dịch vụ chăm sóc
thủy sản. Cấu trúc ba lớp này được sử dụng phổ biến trong
các nghiên cứu gần đây [1].
Mặc dù cấu trúc ba lớp này đang cung cấp một kết nối

thông suốt từ thiết bị cảm biến đến người quản lý cho phép
hệ thống thu thập các dữ liệu thay đổi tức thời và người
dùng nhận được các cảnh báo mọi lúc và mọi nơi. Tuy
nhiên, vấn đề đặt ra là độ tin cậy của các thông tin nhận
được để người sử dụng đưa ra các quyết định thay đổi hiện
trạng. Ví dụ, nếu có thơng tin cảnh báo q ngưỡng pH ảnh
hưởng đến sinh vật, việc thải nước có độ pH cao và bơm
nước vào là cần thiết. Quyết định này không những ảnh
hưởng đến sự tồn vong của sinh vật trong đầm mà cịn thay
đổi kế hoạch sản xuất.

Hình 1. Mơ hình của một đầm ni tơm dựa vào KNVV

Do đó, thơng tin trích xuất từ các dữ liệu do thiết bị cảm
biến gửi về phải tin cậy. Tuy nhiên, các thiết bị cảm biến này
có thể được đặt dưới mặt nước, trên mặt nước và phân bố vị
trí của các thiết bị này có thể bị thay đổi so với thiết kế ban
đầu do sự tác động của các điều kiện tự nhiên như gió, dao
động của mặt nước. Do đó, các kết nối khơng dây liên kết từ
điểm tạo ra tin (nút nguồn) và điểm nhận tin (nút đích) bị dao
động mạnh và khơng đảm bảo chất lượng cho việc truyền
gói tin. Việc tái cấu hình kết nối ở lớp thứ nhất để thích ứng
với điều kiện trên là cần thiết, nhằm giảm thiểu sự mất các


Nguyễn Xuân Sâm, Nguyễn Hồng Sơn

60

gói tin và đảm bảo việc truyền các gói tin có độ trễ thấp.
Trong bài báo này, nhóm tác giả đề xuất một giao thức
lai ghép bằng việc cho phép các nút trung gian tham gia vào
q trình một nút nguồn gửi các gói tin đến một nút đích cho
HTNT. Việc này đảm bảo rằng gói tin được truyền từ một
nguồn bất kỳ có tối đa cơ hội đến điểm đích trong các điều
kiện mơi trường truyền thay đổi khác nhau. Nghiên cứu của
nhóm tác giả đóng góp trên một số nội dung sau:
Sử dụng giải mã và chuyển tiếp (DaF) để lựa chọn tập
nút chuyển tiếp. Khác với các nghiên cứu trước đây, nhóm
tác giả chỉ ra sự lựa chọn ngưỡng tỷ số tín hiệu trên nhiễu
SNR và quan hệ giữa SNR và tỷ số bit lỗi BER trong hệ
thống nhóm tác giả thiết kế. Việc này khơng những có khả
năng giảm thiểu việc tranh chấp sử dụng kênh truyền mà

còn tạo ra một tập các nút có độ tin cậy cao tham gia vào
q trình chuyển tiếp thơng tin.
Nhóm tác giả bổ sung gói NACK cho việc thơng báo
nút đích khơng tiếp nhận thành cơng gói tin được gửi trực
tiếp từ nút nguồn và kích hoạt q trình chuyển tiếp gói tin
từ các nút chuyển tiếp. Thêm vào đó, nhóm tác giả đề xuất
việc chọn nút chuyển tiếp dựa vào việc sửa đổi các gói tin
có sẵn tiến trình trong thuật tốn tránh xung đột CSMA/CA
trong giao thức chuẩn IEEE 802.11.
Phần còn lại của nghiên cứu này được tổ chức như sau:
Phần hai mô tả các nghiên cứu liên quan gần đây; Phần ba
mơ tả khung lý thuyết, mơ hình tốn học, thuật tốn và phân
tích giao thức đề xuất; Phần bốn mơ tả cấu hình mơ phỏng,
đánh giá và phân tích kết quả mô phỏng; Phần năm là kết
luận và đề xuất hướng đi tiếp theo cho nghiên cứu này.
2. Các nghiên cứu liên quan
Nghiên cứu [2] về nguồn nước cho các khu vực nuôi
trồng thủy sản bị tác động mạnh do sự tác động của các yếu
tố tự nhiên và nhân tạo. Các thông số bị thay đổi trong một
đầm nuôi thủy sản là biên độ dao động nhiệt độ, độ pH,
v.v…, việc theo dõi chất lượng nước thông qua việc giám
sát các thông số trên là cần thiết để giảm thiểu nguy cơ xuất
hiện bệnh cho các loài thủy sản. Gần đây, các hệ thống theo
dõi những thông số trên đã được đưa vào sử dụng rộng rãi
trong các đầm nuôi tôm ở ven biển Trung bộ và khu vực
đồng bằng sông Cửu Long.
Bảng 1. Tiêu chuẩn chất lượng nước ao ni tơm [3]
Chất lượng Giới hạn
Mức độ gây độc
nước

thích hợp
pH
7-9
< 4 và > 11 tôm chết;
4 - 7 và 9 – 11, tôm
chậm lớn
< 14 và > 35 tôm
chết; 14-18 tôm bỏ
Nhiệt độ
22 - 32
ăn; 18-25 chậm lớn

Yếu tố ảnh
hưởng
Dư thừa thức ăn,
mật độ tảo, pH
của đất, mưa
Mùa vụ

Trong nghiên cứu [3], các thông số cơ bản cho tiêu
chuẩn chất lượng nước được đề xuất trong Bảng 1. Các
thiết bị cảm biến hiện có đáp ứng đầy đủ được các thông
số được khảo sát. Tuy nhiên, hiện vẫn chưa có những
nghiên cứu đầy đủ về việc đưa ra các quyết định hỗ trợ như:
xác định lượng nước cần bơm vào hoặc rút ra khỏi đầm,
điều chỉnh lượng thức ăn tránh tác động gây hại lên chất
lượng nước trong đầm. Trên thực tế, các yếu tố ảnh hưởng
đến chất lượng nước trong đầm có thể đa dạng. Để giảm độ

phức tạp cho nghiên cứu này, chỉ có hai tham số được xem

xét, đó là độ pH và nhiệt độ.
Trong các hệ thống cảnh báo phổ thông dựa vào nền tảng
KNVV đã được đề xuất sử dụng hiện nay, thiết bị cảm biến
đầu cuối sử dụng lõi điều khiển là bộ Arduino Uno dựa trên
vi điều khiển Atmega 238P [4], các liên kết không dây sử
dụng cho truyền dữ liệu giám sát độ pH và nhiệt độ sử dụng
các mô-đun không dây EPS8266 [5] chuẩn IEEE 802.11b/g/n
[6]. Cấu hình mạng ở lớp thứ nhất trong mơ hình dùng để liên
kết điểm thu thập thông tin cảm biến (nút nguồn) và điểm
chuyển tin về hệ thống giám sát (nút đích) qua mạng Internet
trong lớp thứ nhất thường là mạng hình sao. Ưu điểm của cấu
trúc này là đơn giản trong việc triển khai hệ thống. Tuy nhiên,
cấu trúc này không những chưa khai thác đầy đủ khả năng
hợp tác của các nút trong mạng mà cịn khơng đảm bảo đầy
đủ chất lượng cho việc truyền gói tin, vì chất lượng kết nối
trực tiếp từ nút nguồn đến nút đích bị tác động của các điều
kiện tự nhiên như gió, dao động của mặt nước.
Để đảm bảo độ tin cậy cho việc chuyển các gói tin như
là gói tin thơng báo pH và nhiệt độ từ nút nguồn đến nút đích,
chuẩn IEEE 802.11b/g/n [6] sử dụng các kỹ thuật ARQ và
FEC tại lớp MAC để phát hiện các lỗi trong quá trình truyền.
Trong các hệ thống có kích cỡ gói tin nhỏ, năng lượng và
khả năng xử lý hạn chế, ARQ thường được sử dụng. Trong
kỹ thuật ARQ, nếu nút nguồn không nhận được gói tin ACK
sau khi gửi gói tin cho nút đích, nút nguồn sẽ truyền lại gói
tin trên sau một khoảng thời gian chờ. Phương pháp này có
thể cải thiện được độ tin cậy cho việc truyền dữ liệu. Tuy
nhiên, trong một số trường hợp, việc sử dụng ARQ không
phát huy được tác dụng do chất lượng kênh truyền từ nút
nguồn đến nút đích kém. Thêm vào đó, một đặc tính khác

của ARQ là việc phát lại gói tin từ nguồn sau một thời gian
sẽ gây ra thời gian trễ truyền tin.
Gần đây, các mơ hình chuyển tiếp sử dụng lý thuyết
truyền thông hợp tác (TTHT) [7, 8]. Tùy thuộc vào các chất
lượng của dịch vụ của ứng dụng cụ thể, việc kết hợp các
mơ hình chuyển tiếp trong TTHT có thể tối ưu các mục tiêu
đặt ra cho hệ thống kết nối. Trong các mơ hình chuyển tiếp
đã được công bố, kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp DaF [8]
cho phép hệ thống chọn ra những nút chuyển tiếp có tín
hiệu thu được là tốt hơn, do việc đưa ra ngưỡng tín hiệu
trên nhiễu SNR cho phép máy thu giải mã thành công. Tuy
nhiên, thách thức lớn nhất cho mơ hình này là việc chọn
nút chuyển tiếp để giảm xung đột truyền tin, trong khi phải
đạt được mục tiêu giảm tỷ lệ rớt gói tin thấp nhất.
Về cơ bản, việc sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp trên chỉ có
tác dụng khi chất lượng liên kết kênh truyền từ nút nguồn
đến nút đích khơng đảm bảo chất lượng, dẫn đến việc rớt gói
tin tại nút đích và việc sử dụng ARQ để truyền lại gói tin tại
nút nguồn khơng hiệu quả. Trong nghiên cứu [9], kỹ thuật
lựa chọn một nút chuyển tiếp tốt nhất dựa trên phương pháp
DaF được đề xuất. Về cơ bản, kỹ thuật này cho phép tối ưu
việc sử dụng năng lượng mạng và chọn được nút chuyển tiếp
có tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) cực đại. Theo nghiên cứu
này, tỷ lệ mất gói sẽ thấp nếu số lượng nút trong mạng tăng.
Tuy nhiên, thuật toán tìm nút chuyển tiếp tốt nhất trong
nghiên cứu này được xem là phức tạp do việc sử dụng các
gói tin báo hiệu để xác định nút chuyển tiếp tốt nhất.
Một phương pháp chọn lựa nút chuyển tiếp đơn giản

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 3(124).2018

hơn được mô tả trong giao thức CoARQ [10], giao thức
này được đề xuất để chọn nút chuyển tiếp bằng việc sử
dụng các gói RRTS/RCTS và NACK. Gói NACK được gửi
từ nút đích đề xuất trợ giúp bằng việc chuyển tiếp, do nó
khơng nhận được gói tin từ nút nguồn. Gói RRTS/RCTS là
gói báo hiệu dùng để chọn ra kênh truyền từ nút chuyển
tiếp đến nút đích có chất lượng liên kết tốt nhất. Bằng các
tiến trình tuần tự, CoARQ giảm thiểu việc rớt gói tin tại nút
đích và tăng thơng lượng mạng. Tuy nhiên, nghiên cứu này
không chỉ rõ và không giới hạn số lượng các nút trong
mạng tham gia quá trình chọn nút chuyển tiếp.
Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đề xuất một mơ
hình lai ghép, nhằm đảm bảo gói thơng tin được truyền từ
một nguồn bất kỳ có tối đa cơ hội đến điểm đích với độ trễ
cho phép. Đề xuất này có ý nghĩa trong việc khơng thay đổi
hiện trạng mà vẫn có thể cải thiện được chất lượng truyền
tin của hệ thống có sử dụng chuẩn IEEE 802.11.
3. Tối ưu mơ hình đề xuất
3.1. Phương pháp tiếp cận

Rn

Rm

R2
S

61

thể xác định SNR đề xuất theo cơng thức (1):
BER = ½*erfc(S/N)½
(1)
Trong đó, BER là tỷ số lỗi bít. Dựa vào cơng thức (1),
nếu hệ thống cho trước yêu cầu chất lượng tốt (BER nhỏ)
thì SNR sẽ lớn. Trong Hình 3, nhóm tác giả mô tả giá trị lý
thuyết cho mối quan hệ này. Theo đó, với một giá trị BER
đã cho trước ta có thể xác định một giá trị SNR tương ứng,
ta gọi là SNR đề xuất (SNRth). Do yêu cầu BER của các hệ
thống khác nhau là khác nhau nên chúng ta cần phải đặt ra
yêu cầu trước khi thiết kế hệ thống. Việc thay đổi BER
thường được đánh đổi với tiêu chí chi phí, hoặc độ phức
tạp của hệ thống. Đối với một hệ thống truyền tin có độ tin
cậy cao, yêu cầu giá trị BER lớn hơn 10-5, tương ứng với
SNR đề xuất là 8,8 dB cho kiểu điều chế BPSK.
Phương pháp tiếp cận này dựa vào sự quan sát tiêu chuẩn
chất lượng các đầm tôm trong nghiên cứu [3] với kích cỡ
nhỏ, khoảng từ 500x500 (m2) đến 1.000x100 (m2), với sự
hiện diện của của các nút và các loại cảm biến không nhiều
(khoảng 10 nút), cùng hoạt động. Do đó, việc hợp tác giữa
các nút trong việc chia sẻ và tương hỗ đảm bảo mục tiêu đặt
ra là tạo ra một tập các nút (lớn hơn một) có độ tin cậy cao
tham gia vào q trình chuyển tiếp thông tin. Việc này không
những tạo ra sự thích ứng với các điều kiện thay đổi của mơi
trường truyền như việc nút nguồn bị che chắn, xê dịch, hoặc
nút nguồn bị chìm một phần trong mơi trường nước.

R3

R1

D

Hình 2. Biễu diễn mơ hình TTHT sử dụng DaF

Mơ hình mạng TTHT sử dụng kỹ thuật giải mã và
chuyển tiếp (DaF) được mơ tả trong Hình 2. Việc truyền tin
trong mơ hình này được chia thành hai giai đoạn. Giai đoạn
một là q trình truyền gói tin từ nút nguồn (S) đến nút đích
(D) và giai đoạn hai là việc chuyển tiếp gói tin trên từ một
nút chuyển tiếp (R) đến nút đích (D). Trong mơ hình này, có
n nút có thể tham gia vào q trình chuyển tiếp gói tin được
truyền từ nút nguồn (S) đến nút đích (D). Bằng cách sử dụng
kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp DaF, có m (m < n) nút trung
gian nhận được và giải mã thành cơng tín hiệu của gói tin
trên. Khi một gói tin được truyền từ nút nguồn (S) đến nút
đích (D) khơng được giải mã thành cơng, nút đích (D) sẽ
kích hoạt gói tin NACK gửi bằng giao thức quảng bá. Các
nút trung gian thỏa mãn hai điều kiện: (1) đã giải mã thành
cơng gói tin nút nguồn (S) đến nút đích (D) trong giai đoạn
một và (2) nhận được gói tin NACK từ nút đích (D) sẽ tham
gia vào quá trình cạnh tranh cho việc chuyển tiếp.
Bằng cách đề xuất một ngưỡng giá trị SNRth cho tín hiệu
nhận được, kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp DaF cho phép
máy thu tiến hành giải mã và chuyển tiếp thơng tin thu được
nếu tín hiệu nhận được có giá trị SNR lớn hơn SNRth. Giá
trị SNRth này được xác định dựa vào mối quan hệ giữa yêu
cầu chất lượng dịch vụ (QoS), được tính bằng giá trị BER
tương ứng cho từng loại điều chế trong phần cứng hệ thống

truyền tin và SNR cho từng loại điều chế tương ứng. Ví dụ
như chuẩn IEEE 802.11, thường sử dụng phương thức điều
chế BPSK và QPSK. Nếu chọn BPSK cho hệ thống, ta có

Hình 3. Quan hệ giữa SNR và BER trong BPSK

3.2. Mơ hình tốn học
Để thuận tiện cho việc thiết kế hệ thống, nhóm tác giả
đưa ra mơ hình tốn học cho mơ hình trong Hình 2, trong
đó SNR của liên kết giữa nút nguồn và nút đích được ký
hiệu SD, SNR của liên kết giữa nút nguồn và nút chuyển
tiếp được ký hiệu SR và SNR của liên kết giữa nút chuyển
tiếp và nút đích được ký hiệu RD. Theo nghiên cứu [8], SD,
SRi và RiD được tính như sau:
𝛾𝑆𝐷 =

𝑃𝑆 |ℎ0 |2
𝑁0

; 𝛾𝑆𝑅𝑖 =

𝑃𝑆 |ℎ𝑆𝑅 |
𝑁0

𝑖

2

; 𝛾𝑅𝑖𝐷 =

𝑃𝑅 |ℎ𝑅 𝐷|
𝑖
𝑁0

2

(2)

Trong đó, PS và PR là cơng suất phát của nút nguồn và
nút chuyển tiếp, N0 là tạp âm Gauss và h0, hSRi và hRiD là hệ
số tăng ích kênh truyền. h0, hSiR và hRiD được tính theo cơng
thức sau:
𝑃𝐿𝑆𝑅 (𝑑)
𝑖
10

|ℎ0 | = 1; |ℎ𝑆𝑅𝑖 | = 10−

với

𝑃𝐿𝑅 𝐷 (𝑑)
𝑖
10

; |ℎ𝑆𝑅𝑖 | = 10−

𝑃𝐿(𝑑) = 𝑃𝐿(𝑑0 ) + 10𝜇𝑙𝑜𝑔10

𝑑

𝑑0

+

(3)
(4)


Nguyễn Xn Sâm, Nguyễn Hồng Sơn

62

Trong đó, cơng thức (4) được công bố trong nghiên cứu
[11], PL(d) là suy hao đường truyền tại vị trí cách nút nguồn
với khoảng cách d0,  là biến ngẫu nhiên phân bố Gauss
trung bình bằng 0, với độ lệch chuẩn σ và 𝜇 là hệ số suy hao.
3.3. Giao thức đề xuất
S

R1

D

Rm

BO

sàng nhận gói tin chuyển tiếp từ RS. RS sau khi nhận được
gói tin RCTS từ nút đích sẽ thực hiện việc chuyển tiếp gói
tin đến nút đích.

Pha thứ 4: Nút đích gửi ACK cho tồn mạng để báo
q trình chuyển tiếp thành cơng. Nếu q trình chuyển
tiếp này khơng thành cơng, nút đích lặp lại việc gửi NACK
sau một khoảng thời gian lớn hơn tback-off và việc này lặp lại
tối đa ba lần trước khi nó hủy bỏ việc nhờ trợ giúp chuyển
tiếp. Trong quá trình thực hiện chuyển tiếp và xác nhận gói
tin từ nút RS và nút đích, các nút lân cận lại giữ im lặng cho
đến khi kết thúc q trình này.
4. Đánh giá và phân tích kết quả
4.1. Cấu hình cho mơ hình đề xuất

Hình 4. Sơ đồ tuần tự trong giao thức đề xuất

Để đảm bảo độ tin cậy cao cho q trình chuyển tiếp
thơng tin cảm biến thu nhận được từ nút nguồn, nhóm tác giả
đề xuất tiến trình tuần tự cho giao thức lai ghép giữa DaF và
ARQ, được mơ tả trong Hình 4. Trong giao thức này, nhóm
tác giả sử dụng bốn pha để mơ tả tiến trình chuyển tiếp thơng
tin tại lớp thứ nhất. Dựa trên giao thức IEEE 802.11, nhóm
tác giả bổ sung thêm một số thủ tục sau:
Pha thứ nhất: nút nguồn gửi gói tin cho nút đích. Giả sử
hệ thống có tồn tại các nút lân cận R(S) = (R1, R2, …, Rm) có
thể giải mã thành cơng gói tin, vì vậy chúng tạo thành một
tập ứng viên để chuyển tiếp thơng tin cho nút nguồn đến nút
đích. Tập này được biểu diễn trong công thức (5):
𝑃𝑆 |ℎ𝑆𝑅 |

𝑅(𝑆) = {

𝑁0

𝑖

2

≥ 𝑆𝑁𝑅𝑡ℎ }

(5)

Pha thứ 2: Nếu nút đích khơng nhận được gói tin do nút
nguồn gửi hoặc nút đích giải mã khơng thành cơng gói tin
từ nút nguồn, nút đích sẽ gửi gói tin quảng bá NACK để
thơng báo cần sự trợ giúp từ các nút lân cận. Một khi các
nút thuộc tập R(S) nhận được NACK, nó sẽ chờ sau một
thời gian ngẫu nhiên t để phát gói RRTS của nó. Thời gian
đếm lùi ngẫu nhiên (BO) được nhóm tác giả đề xuất chọn
trong nghiên cứu này là công thức (6):
𝑡backoff = 2𝑘 − 1
(6)
Trong công thức (6), việc chọn k có giá trị lớn sẽ giảm
thiểu được các xung đột gói RRTS tại nút đích nhưng sẽ
làm tăng thời gian trễ truyền gói tin chuyển tiếp. Ngược lại,
nếu chọn k có giá trị nhỏ sẽ hạn chế được các vấn đề nêu
trên. Để có thể chọn k có giá trị nhỏ nhưng vẫn đảm bảo
được không xảy ra xung đột gói RRTS, kích cỡ của gói tin
RRTS nên được hạn chế đến mức tối thiểu. Trong nghiên
cứu này, nhóm tác giả giả định việc chọn giá trị k = 2.
Để tránh xung đột các gói tin tại nút đích, một nút
chuyển tiếp từ tập R(S) phải được chọn ra. Nút được chọn
RS phải thỏa mãn hai điều kiện sau: (1) RS R(S) và (2) nút

này gửi thông tin RRTS đến nút đích sớm nhất (nút có thời
gian đếm lùi ngẫu nhiên là nhỏ nhất).
Pha thứ 3: Sau khi nút đích nhận được thơng tin u
cầu gửi chuyển tiếp từ R(S), nút đích sẽ gửi RCTS để thơng
báo rằng nút đích đã chọn một nút chuyển tiếp RS và đã sẵn

Hình 5. Mơ hình khảo sát (trong ns-2.35)
Bảng 2. Thơng số mơ phỏng
Thơng số
Kích thước
Số nút
Tầm truyền
BER

Tốc độ bít
Gói tin (CBR)
Giao thức truyền
Thời gian mô phỏng
Nhiễu nền (N0)
PS = PR

Giá trị
500x500 (m2)
9
200 m
10-3 và 10-5
3
54 Mbps
50 byte
TCP

200 s
-96 dBm
0,28 Watt

Nhóm tác giả đề xuất mơ hình khảo sát mơ hình đầm
tơm loại nhỏ với kích cỡ 500x500 (m2). Số lượng thiết bị
cảm biến trong đầm là 9 nút và phân bố sao cho nó có thể
hoạt động với mạng dạng hình sao (thiết lập khoảng cách
từ nút nguồn đến nút đích cách nhau tối đa là 150 m), trong
đó nút đích nằm ở trung tâm của mơ hình khảo sát này. Để
giả định hoạt động của các nút với điều kiện trong mơi
trường tự nhiên, nơi mà vị trí các nút có thể bị xê dịch 5 m.
Mơ hình khảo sát này được mơ tả trong Hình 5.
Để đánh giá và so sánh giao thức đề xuất chuẩn IEEE
802.11g với ARQ, nhóm tác giả chọn BER là 10-3, 10-5.
Kích thước gói tin là 50 byte, hệ số suy hao  = 3, các gói
tin điều khiển (RRTS/RCTS) được sử dụng kích cỡ mặc
định. Sử dụng cơng cụ mơ phỏng là ns-2.35 [12] có sửa đổi
(Mac-802.11.cc, WirelessPhy.cc, packet.h và channel.c) từ
giao thức IEEE 802.11g. Các thông số sử dụng trong mơ
hình mơ phỏng được mơ tả trong Bảng 2.


ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 3(124).2018

4.2. Kết quả mô phỏng và phân tích
Để đánh giá và so sánh độ tin cậy truyền tin giữa giao
thức đề xuất với IEEE 802.11g sử dụng ARQ, hai thơng số
được phân tích và so sánh trong nghiên cứu này là: (1) hiệu
suất truyền gói tin, dùng để đánh giá số lượng các gói nhận

được tại nút đích so với tổng số gói đã gửi cho nút đích; (2)
thời gian trung bình truyền gói tin là tổng thời gian để
truyền các gói tin từ nút nguồn đến nút đích.
• Hiệu suất truyền gói tin
Hình 6 so sánh hiệu suất truyền gói tin của giao thức đề
xuất và chuẩn IEEE 802.11g có sử dụng ARQ với trường
hợp BER =10-3 và BER =10-5. Kết quả cho thấy rằng, trong
hai trường hợp khảo sát đều cho kết quả là giao thức đề
xuất có hiệu suất truyền gói tin cao hơn chuẩn IEEE
802.11g sử dụng ARQ. Đặc biệt, khi có yêu cầu thay đổi
về BER (yêu cầu chất lượng dịch vụ), chuẩn IEEE 802.11
với ARQ có hiệu suất truyền gói tin suy giảm nhanh chóng,
trong khi giao thức đề xuất khơng có thay đổi đáng kể.
Ngun nhân của được kết quả này là do tác động của việc
giới hạn tập nút tham gia chuyển tiếp dẫn đến việc giảm
xung đột truyền tin tại nút đích. Mặt khác, việc giới hạn
không làm giảm khả năng luôn tồn tại (lớn hơn) một nút
sẵn sàng để chuyển tiếp gói tin đến nút đích.

63

nút chuyển tiếp được chọn giảm) thì trung bình trễ của giao
thức đề xuất khơng có biến động lớn. Việc đạt được kết quả
này là do giao thức đề xuất đã làm giảm tác động trễ do việc
chọn k với giá trị nhỏ. Trong khi đó, chuẩn IEEE 802.11g sử
dụng ARQ khơng có sự đảm bảo việc truyền gói thành cơng
khi khoảng cách giữa nút nguồn và nút đích bị xê dịch.
5. Kết luận
5.1. Kết luận liên quan đến kết quả
Sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp thông tin cho phép hệ thống

cải thiện hiệu suất truyền tin trong điều kiện mơi trường
truyền dẫn vơ tuyến có thay đổi. Kết quả mô phỏng cho thấy
rằng giao thức đề xuất này không những giảm thiểu việc mất
gói tin mà cịn đảm bảo được trễ truyền lan từ nguồn đến
đích, thỏa mãn tiêu chí truyền với thời gian thực.
Vấn đề về năng lượng mạng và tranh chấp kênh truyền
không được đề cập trong nghiên cứu này, vì việc thay pin
dự phịng cho các thiết bị trong đầm không quá phức tạp và
mạng được sử dụng cho việc quan trắc và giám sát các mục
tiêu ở trên thường có lưu lượng thấp.
5.2. Hướng phát triển tiếp theo
Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả mới chỉ hồn thiện
về mơ hình trong phịng thí nghiệm, và việc mô phỏng các
giá trị đảm bảo rằng hệ thống sẽ có sai số khơng q lớn so
với hệ thống được nhóm tác giả thiết kế trong thực tế. Việc
khảo sát thực địa để lắp đặt các thiết bị và cấu hình hệ thống
sẽ quyết định và đánh giá sự thành cơng của nghiên cứu lý
thuyết mơ hình này.
Lời cảm ơn: Kết quả nghiên cứu là một phần trong dự án
được Học viện Cơng nghệ Bưu chính Viễn thơng hỗ trợ về
kinh phí. Trân trọng cảm ơn Học viện đã tài trợ cho nhóm
tác giả hồn thành dự án và nghiên cứu này.
TÀI LIỆU THAM KHẢO

Hình 6. So sánh độ tin cậy truyền tin giữa giao thức đề xuất với
IEEE 802.11g sử dụng ARQ

•

Thời gian trung bình truyền gói tin

Hình 7. So sánh thời gian trung bình truyền gói tin giữa
giao thức đề xuất với IEEE 802.11g sử dụng ARQ

Kết quả khảo sát thời gian trung bình chuyển 3.903 gói tin
với trường hợp BER =10-3 và BER =10-5 được trình diễn trong
trong Hình 7. Điểm đáng chú ý là giao thức đề xuất ln có
độ trễ trung bình thấp hơn so với chuẩn IEEE 802.11g sử dụng
ARQ, ngay cả khi yêu cầu chất lượng của hệ thống tăng (số

[1] S. C. Mukhopadhyay, and A. Mason, Smart sensors for real-time
water quality monitoring, Springer, 2013.
[2] P. T. Anh, C. Kroeze, S. R. Bush, and A. P. Mol, “Water pollution
by intensive brackish shrimp farming in south-east Vietnam: Causes
and options for control”, Agricultural Water Management, Vol. 97,
No. 6, 2010, pp. 872-882.
[3] N. Đình Tuấn và H. Phú, “Phát triển bền vững vùng nuôi tôm sú ven
biển Trà Vinh”, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Thủy lợi và Môi trường,
No. 12, 2017, trang 91.
[4] ATmega328P, />[5] WiFi Module - ESP8266 , />[6] I. W. Group, Part11: Wireless LAN medium access control (MAC) and
physical layer (PHY) specifications, ANSI/IEEE Std. 802.11, 1999.
[7] A. Nosratinia, T. E. Hunter, and A. Hedayat, “Cooperative
communication in wireless networks”, IEEE communications
Magazine, Vol. 42, No. 10, 2004, pp. 74-80.
[8] J. N. Laneman, D. N. Tse, and G. W. Wornell, “Cooperative diversity in
wireless networks: Efficient protocols and outage behavior”, IEEE
Transactions on Information theory, Vol. 50, No. 12, 2004, pp. 3062-3080.
[9] Q. A. Hikmat, B. Dai, R. Khaji, and B. Huang, “Performance Analysis
of Best Relay Selection in Cooperative Wireless Networks”, Int. J.
Future Gener. Commun. Netw, Vol. 8, 2015, pp. 43-56.

[10] S. Nischal, and V. Sharma, A cooperative ARQ scheme for
infrastructure WLANs, Conference: Wireless Communications and
Networking Conference (WCNC), 2013 IEEE, pp. 428-433.
[11] H. Meyr, M. Moeneclaey, and S. A. Fechtel, Digital communication
receivers: synchronization, channel estimation, and signal
processing, Wiley Online Library, 1998.
[12] The Network Simulator.

(BBT nhận bài: 19/01/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 22/02/2018)